生物信息學(xué)軟件及使用概述

生物信息學(xué)軟件及使用概述第一頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期三生物信息學(xué)的概念：生物信息學(xué)是一門新興的交叉學(xué)科，它將數(shù)學(xué)和計算機(jī)知識應(yīng)用于生物學(xué)，以獲取、加工、存儲、分類、檢索與分析生物大分子的信息，從而理解這些信息的生物學(xué)意義。第二頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期三生物信息學(xué)軟件主要功能分析和處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和公共數(shù)據(jù)，加快研究進(jìn)度，縮短科研時間提示、指導(dǎo)、替代實(shí)驗(yàn)操作，利用對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析所得的結(jié)論設(shè)計下一階段的實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的自動化管理尋找、預(yù)測新基因及其結(jié)構(gòu)、功能蛋白質(zhì)高級結(jié)構(gòu)及功能預(yù)測（三維建模，目前研究的焦點(diǎn)和難點(diǎn)）第三頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期三功能1.分析和處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和公共數(shù)據(jù)，加快研究進(jìn)度，縮短科研時間核酸：序列同源性比較，分子進(jìn)化樹構(gòu)建，結(jié)構(gòu)信息分析，包括基元(Motif)、酶切點(diǎn)、重復(fù)片斷、堿基組成和分布、開放閱讀框（ORF），蛋白編碼區(qū)（CDS）及外顯子預(yù)測、RNA二級結(jié)構(gòu)預(yù)測、DNA片段的拼接；蛋白：序列同源性比較，結(jié)構(gòu)信息分析（包括Motif，限制酶切點(diǎn)，內(nèi)部重復(fù)序列的查找，氨基酸殘基組成及其親水性及疏水性分析)，等電點(diǎn)及二級結(jié)構(gòu)預(yù)測等等；本地序列與公共序列的聯(lián)接，成果擴(kuò)大。第四頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期三Antheprot5.0DotPlot點(diǎn)陣圖Dotplot點(diǎn)陣圖能夠揭示多個局部相似性的復(fù)雜關(guān)系第五頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期三PeptoolLite---DotPlot點(diǎn)陣圖第六頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期三DNASIS2.5RNA二級結(jié)構(gòu)預(yù)測第七頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期三DNASIS2.5tRNA二級結(jié)構(gòu)預(yù)測第八頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期三RNAStructure3.5RNA二結(jié)構(gòu)預(yù)測第九頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期三Omiga2.0ORFMap第十頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期三DNAStar之Protean對氨基酸的親疏水性

分析：helicalwheel圖不同顏色代表不同的AA第十一頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期三功能2.提示、指導(dǎo)、替代實(shí)驗(yàn)操作，利用對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析所得的結(jié)論設(shè)計下一階段的實(shí)驗(yàn)用軟件設(shè)計PCR引物，測序引物或雜交探針；設(shè)計克隆策略，構(gòu)建載體；做模擬電泳實(shí)驗(yàn)，即模擬核酸內(nèi)切酶或內(nèi)肽酶對相應(yīng)的底物分子切割后的電泳行為；蛋白跨膜區(qū)域分析，信號肽潛在斷裂點(diǎn)預(yù)測。第十二頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期三Winplas2.6質(zhì)粒構(gòu)建第十三頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期三Atheprot5.0預(yù)測蛋白跨膜區(qū)域第十四頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期三Antheprot5.0預(yù)測信號肽斷裂點(diǎn)第十五頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期三功能3.用計算機(jī)管理實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)及文獻(xiàn)資料實(shí)驗(yàn)室結(jié)果的儲存、管理和申報工作；從網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫獲得的序列文件（由ENTREZ集成檢索系統(tǒng)所得的數(shù)據(jù)文件可以進(jìn)入EndNote或者ReferenceManager儲存管理）或資料文獻(xiàn)的管理；軟件:EndNote，ReferenceManager。第十六頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期三ReferenceManager9界面第十七頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期三功能4.用計算機(jī)預(yù)測新基因及其結(jié)構(gòu)和功能對CDS（CodingSequence）蛋白編碼區(qū)的預(yù)測準(zhǔn)確率已達(dá)到90%以上對整個基因結(jié)構(gòu)的預(yù)測存在一定難度

PWM（位置權(quán)重矩陣）算法 由物化原理技術(shù)開發(fā)，側(cè)重于找基因表達(dá)系統(tǒng)和核酸相互作用的位點(diǎn)。給信號序列各個位置每種可能出現(xiàn)的核苷酸分配一個分?jǐn)?shù)，將各位置分?jǐn)?shù)相加后得出該序列作為潛在作用位點(diǎn)的分?jǐn)?shù)。第十八頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期三DNASIS2.5對蛋白編碼區(qū)的預(yù)測

A.(CodonBias)第十九頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期三DNASIS2.5對蛋白編碼區(qū)的預(yù)測

B.(RareCodon)第二十頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期三DNASIS2.5對蛋白編碼區(qū)的預(yù)測

C.(ORFList)第二十一頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期三DNASTAR之GeneQuest預(yù)測CDS第二十二頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期三功能5.蛋白質(zhì)高級結(jié)構(gòu)預(yù)測該項技術(shù)算法十分復(fù)雜，尚未成熟。PDB及MMDB數(shù)據(jù)庫目前仍然禁止收錄軟件預(yù)測出來的蛋白高級結(jié)構(gòu)模型。X射線晶體學(xué)技術(shù)和多維核磁共振技術(shù)是當(dāng)前人們認(rèn)識蛋白高級結(jié)構(gòu)的主要手段，但兩種技術(shù)都有不足之處。前者要求必需得到高標(biāo)準(zhǔn)的蛋白晶體，后者對分子量大于3萬的大蛋白不能測定。因此理論模擬和結(jié)構(gòu)預(yù)測顯得十分重要。序列與結(jié)構(gòu)關(guān)系的根源在于“蛋白質(zhì)折疊的問題”，這是近期研究關(guān)注的焦點(diǎn)。第二十三頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期三DNASIS2.5蛋白二級結(jié)構(gòu)預(yù)測第二十四頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期三目前應(yīng)用的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)預(yù)測的算法同源預(yù)測(一級結(jié)構(gòu)決定高級結(jié)構(gòu))結(jié)構(gòu)與結(jié)構(gòu)相對比（DALI算法）當(dāng)前最先進(jìn)的結(jié)構(gòu)預(yù)測方法： 結(jié)構(gòu)類識別（foldrecognition）先建立一個已知的結(jié)構(gòu)類數(shù)據(jù)庫（foldlibrary)，將待測序列“穿過”該數(shù)據(jù)庫構(gòu)成的坐標(biāo)，并根據(jù)事先確定的物理限制，逐個位置移動（threading，sequence-structurealignment)，由一個函數(shù)（sequence-structurefitnessalignment)判斷序列與結(jié)構(gòu)類的符合程度，找出未知序列在目標(biāo)結(jié)構(gòu)上的能量最優(yōu)和構(gòu)象最穩(wěn)固的比對位置。對計算機(jī)要求很高。第二十五頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期三Cn3D2.5顯示1EQFA鏈三維結(jié)構(gòu)第二十六頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期三RasMol2.7顯示1EQFA鏈三維結(jié)構(gòu)第二十七頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期三二.常見的部分生物學(xué)軟件功能介紹PCR引物設(shè)計DNA、蛋白質(zhì)序列同源分析及進(jìn)化樹構(gòu)建ContigExpress----DNA序列片斷拼接DNA模擬電泳重要生物數(shù)據(jù)庫簡介第二十八頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期三PCR引物設(shè)計引物設(shè)計的原則引物要跟模板緊密結(jié)合；引物與引物之間不能有穩(wěn)定的二聚體或發(fā)夾結(jié)構(gòu)存在；引物不能在別的非目的位點(diǎn)引起高效DNA聚合反應(yīng)(即錯配)。第二十九頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期三如：引物長度（primerlength），產(chǎn)物長度（productlength），序列Tm值(meltingtemperature)，ΔG值(internalstability)，引物二聚體及發(fā)夾結(jié)構(gòu)（duplexformationandhairpin），錯誤引發(fā)位點(diǎn)（falseprimingsite），引物及產(chǎn)物GC含量（composition），有時還要對引物進(jìn)行修飾，如增加限制酶切點(diǎn)，引進(jìn)突變等。引物設(shè)計需要考慮的因素第三十頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期三引物設(shè)計要點(diǎn)一般引物的長度為16-23bp，常用的長度為18-21bp，過長或過短都不合適。引物3’端的堿基一般不用A，因?yàn)锳在錯誤引發(fā)位點(diǎn)的引發(fā)效率相對比較高，而其它三種堿基的錯誤引發(fā)效率相對小一些。引物的GC含量一般為45-55%，過高或過低都不利于引發(fā)反應(yīng)。上下游引物的GC含量不能相差太大。引物所對應(yīng)模板序列的Tm值最好在72℃左右，當(dāng)然由于模板序列本身的組成決定其Tm值可能偏低或偏高，可根據(jù)具體情況靈活運(yùn)用。第三十一頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期三引物設(shè)計要點(diǎn)ΔG值反映了引物與模板結(jié)合的強(qiáng)弱程度，也是一個重要的引物評價指標(biāo)。一般情況下，在Oligo5.0軟件的ΔG值窗口中，引物的ΔG值最好呈正弦曲線形狀，即5’端和中間部分ΔG值較高，而3’端ΔG值相對較低，且不要超過9（ΔG值為負(fù)值，這里取絕對值），如此則有利于正確引發(fā)反應(yīng)而可防止錯誤引發(fā)。其原理，引物與模板應(yīng)具有較高的結(jié)合能量，這樣有利于引物與模板序列的整合，因此5’端與中間段的ΔG值應(yīng)較高，而3’端ΔG值影響DNA聚合酶對模板DNA的解鏈，過高則不利于這一步驟。第三十二頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期三引物設(shè)計要點(diǎn)可能的錯誤引發(fā)位點(diǎn)決定于引物序列組成與模板序列組成的相似性，相似性高則錯誤引發(fā)率高，錯誤引發(fā)的引發(fā)率一般不要高過100，最好沒有錯誤引發(fā)位點(diǎn)，如此可以保證不出非目的產(chǎn)物的假帶。引物二聚體及發(fā)夾結(jié)構(gòu)的能量一般不要超過4.5，否則容易產(chǎn)生引物二聚體帶，且會降低引物濃度從而導(dǎo)致PCR正常反應(yīng)不能進(jìn)行。對引物的修飾一般是增加酶切位點(diǎn)，應(yīng)參考載體的限制酶識別序列確定，常常對上下游引物修飾的序列選用不同限制酶的識別序列，以有利于以后的工作。第三十三頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期三關(guān)于引物的自動搜索和評價分析推薦使用自動搜索軟件：PrimerPremier5.0推薦使用引物評價軟件：Oligo5/6第三十四頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期三OLIGO5.0PCR引物設(shè)計第三十五頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期三DNA、蛋白質(zhì)序列同源分析及

進(jìn)化樹構(gòu)建第三十六頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期三相似性與同源性相似性是指一種很直接的數(shù)量關(guān)系，比如部分相同或相似的百分比或其它一些合適的度量?？蛇M(jìn)行自身局部比較。 如DotPlot(點(diǎn)陣序列比較)同源性指從一些數(shù)據(jù)中推斷出的兩個基因或蛋白質(zhì)序列具而共同祖先的結(jié)論，屬于質(zhì)的判斷。 如Alignment(同源性分析)第三十七頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期三推薦軟件相似性分析

PeptoolLite同源性分析VectorNTI6---AlignXContigExpress----DNA序列片斷拼接第三十八頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期三VectorNTISuit同源比較—主窗口第三十九頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期三VectorNTISuit同源比較—進(jìn)化樹NosemagranulosisNosemafurnacalisVairimorphaimperfectaNosematyriaeMG5NosemabombycisNosemabombycisNosemabombycisNosemasp.Vairimorphasp.Mh8535MG4Mh7521N.BNosemacernanae

VairimorphanecatrixNosemanecatrixNosemaoulemaeC.SNosemasp.P.RMG2Vairimorphasp.Nosemasp.NosemaportugalMicrosporidiumsp.NosemavespulaVairimorphalymantriaeVairimorphasp.NosemaapisNosemaapis第四十頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期三DNA模擬電泳TipsDNA模擬電泳具有一定實(shí)驗(yàn)預(yù)示功能，模擬電泳不能作為實(shí)驗(yàn)結(jié)果或依據(jù)第四十一頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期三VectorNTISuit5.5模擬電泳第四十二頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期三GeneConstructionKit2.0模擬電泳第四十三頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期三重要的生物數(shù)據(jù)庫三大數(shù)據(jù)庫NCBI(美國)DDBJ(日本)http://www.ddbj.nig.ac.jpEBI(歐洲)http://www.ebi.ac.uk/index.html第四十四頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期三其他重要數(shù)據(jù)庫酵母基因組數(shù)據(jù)庫（SGD）酵母蛋白質(zhì)數(shù)據(jù)庫（YPD）擬南芥數(shù)據(jù)庫（AtDB）醫(yī)學(xué)數(shù)據(jù)庫（OMIM）線蟲數(shù)據(jù)庫（ACEDB）第四十五頁，共五十一頁，編輯于2023年，星期三網(wǎng)上數(shù)據(jù)庫的運(yùn)用IRACE(基因拉長功能）BLAST同源序列檢索ENTREZSYSTEM(集成信息檢索